POLITECHNIKA ŁÓDZKA

POLITECHNIKA ŁÓDZKA
INSTRUKCJA Z LABORATORIUM W
ZAKŁADZIE BIOFIZYKI
Ćwiczenie 6
WYZNACZANIE ROZMIARÓW
MAKROCZĄSTECZEK
Wyznaczanie rozmiarów makrocząsteczek cieczy
I. WSTĘP TEORETYCZNY
Procesy zachodzące między atomami lub cząsteczkami w skali
molekularnej składają się w rezultacie na wynik procesu w skali makroskopowej,
możliwej do obserwacji gołym okiem. Liczba cząsteczek biorących udział w
procesie na skalę makroskopową jest olbrzymia, dlatego układy tego rodzaju są
nazywane makroskopowymi układami cząsteczek. Obserwowane w przyrodzie
zmiany
stanów
skupienia
materii
należą
również
do
procesów
w
makroskopowych układach cząsteczek. Zależnie od warunków ciśnienia
i temperatury materia może występować w trzech stanach skupienia: stałym,
ciekłym i gazowym. Każdy z tych stanów cechuje się charakterystycznym
stopniem uporządkowania i wartością energii cząsteczek materii.
Ciecze różnią się od gazów przede wszystkim wielokrotnie większą liczbą
cząsteczek w jednostce objętości. Zjawiska dyfuzji i ruchów Browna są
dowodem, że molekuły cieczy stale poruszają się. Cząsteczki cieczy wykonują
bezładne ruchy, dzięki czemu nie tworzą sztywnej sieci (charakterystycznej dla
ciał stałych). Ruch ten nie jest jednak zupełnie swobodny, lecz ograniczony
działaniem sił międzycząsteczkowych, które stanowią jakby więzy utrzymujące
molekuły cieczy w określonej objętości. Nie pozwalają one cząsteczkom cieczy
na dowolne rozprzestrzenianie się, tak charakterystyczne dla stanu gazowego.
Cząsteczki cieczy pozostają zawsze w sferze działania sąsiednich molekuł.
Wiele zjawisk potwierdza, że nie tylko między molekułami tego samego
ciała, lecz również różnych ciał działają siły przyciągania. Siły, jakimi
przyciągają się wzajemnie cząsteczki tego samego ciała, nazywamy siłami
spójności, a siły, jakimi przyciągają się cząsteczki różnych ciał, nazywamy
siłami przylegania.
Działaniem sił spójności i przylegania tłumaczy się wiele różnych
właściwości cieczy, np. istnienie w cieczach napięcia powierzchniowego,
tworzenie menisku wklęsłego i wypukłego, zjawisko włoskowatości, tworzenie
kropel. Napięcie powierzchniowe cieczy zmierza zawsze do nadania cieczy
najmniejszej powierzchni. Wiadomo, że najmniejszą powierzchnię przy danej
objętości posiada kula. To wyjaśnia tworzenie się kropel cieczy.
1
Wyznaczanie rozmiarów makrocząsteczek cieczy
Kwas stearynowy (rys.1.) jest jednym z podstawowych składników
tłuszczy naturalnych. Jest to związek zawierający prosty łańcuch węglowy.
Rys.1. Wzór strukturalny cząsteczki kwasu stearynowego.
Kwas stearynowy jest substancją krystaliczną, nie mającą zapachu ani
smaku, temperaturze topnienia 69,3°C. Kwas stearynowy jest nierozpuszczalny
w wodzie, a rozpuszczalny w alkoholu i rozpuszczalnikach niepolarnych.
Występuje w tłuszczach roślinnych i zwierzęcych w postaci estrów z gliceryną.
II. OPIS BUDOWY STANOWISKA
Do przeprowadzenia ćwiczenia niezbędne są:
• kuweta z wodą destylowaną,
• podkładka z podziałką milimetrową,
• talk,
• kwas stearynowy,
• pipeta.
Wymieniony zestaw pomiarowy przedstawiono na rysunku 2.
podkładka z podziałką
milimetrową
pipeta
kuweta z wodą
TALK
ROZTWÓR
KWASU
STEARYNOWEGO
Rys.2. Zestaw do przeprowadzenia pomiaru rozmiarów makrocząsteczek
tworzących warstwę monomolekularną
2
Wyznaczanie rozmiarów makrocząsteczek cieczy
Talk służy w tym przypadku do utworzenia na powierzchni wody cienkiej
warstwy, umożliwiającej obserwację monomolekularnej warstwy
kwasu
stearynowego.
III.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.Umieścić naczynie na papierze milimetrowym.
2.Napełnić naczynie wodą destylowaną, a następnie posypać powierzchnię wody
talkiem. Delikatnie dmuchając rozprowadzić talk równomiernie na
powierzchni wody.
3.Utworzyć
w
kilkunastu
miejscach
warstwę
monomolekularną
kwasu
stearynowego. W tym celu należy za pomocą mikropipety o pojemności
Vp = 20 µl ostrożnie nanieść kroplę roztworu kwasu stearynowego o
stężeniu c = 5mM/l w metanolu.
4.Wybrać 10 różnych powierzchni, które są zbliżone kształtem do powierzchni
kolistej i zmierzyć średnicę (d1) powstałych warstw monomolekularnych,
a następnie obliczyć średnią wartość średnicy (d).
5.Obliczyć średnią powierzchnię (S) warstwy monomolekularnej
S =π
d2
4
6.Wyznaczyć liczbę kropli (N) roztworu kwasu stearynowego w metanolu w
objętości pipety (Vp).
7.Obliczyć objętość jednej kropli (Vk) roztworu kwasu stearynowego w metanolu
Vk =
Vp
N
8.Obliczyć liczbę cząsteczek (n) kwasu stearynowego, które tworzą warstwę
monomolekularną.
n = cN AVk
gdzie: c – stężęnie roztworu kwasu stearynowego w metanolu,
c = 5 mM/l,
NA – liczba Avogadro,
NA = 6,02٠1023 l/mol = 60,2٠1028 l/kmol
3
Wyznaczanie rozmiarów makrocząsteczek cieczy
Vk – objętość jednej kropli
9.Obliczyć powierzchnię A przypadającą na jedną cząsteczkę
A=
S
n
10.Obliczyć długość (L) cząsteczki kwasu stearynowego
L=
cVk M
ρ S
gdzie: c – stężenie molowe kwasu stearynowego w metanolu
Vk – objętość jednej kropli
M – masa molowa kwasu stearynowego
M = 284,5 g/mol = 284٠10-3 kg/m3
ρ – gęstość roztworu stearynowego
ρ = 0,847 g/cm3 = 0,847٠103 kg/m3
11.Wyniki pomiarów zestawić w tabeli.
Lp.
d1[m] d[m] S[m2] Vp[µl]
N
Vk[m3]
n
A[m2] D[m] L[m]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
IV. SPRAWOZDANIE POWINNO ZAWIERAĆ
1. Krótki wstęp teoretyczny.
2. Cel przeprowadzonego ćwiczenia.
3. Tabelę z wynikami pomiarów.
4
Wyznaczanie rozmiarów makrocząsteczek cieczy
4. Objaśnienie symboli stosowanych w sprawozdaniu.
5. Wyniki obliczeń wraz ze wzorami i podstawieniami określonych wartości
pomiarowych do wzorów.
6. Dyskusję i wnioski.
V. PYTANIA KONTROLNE
1.
Definicja masy atomowej i cząsteczkowej.
2.
Masa molowa i stężenie molowe.
3.
Siły spójności i adhezji.
4.
Makrocząsteczki.
LITERATURA
1. J.Karniewicz, T.Sokołowski: Podstawy fizyki laboratoryjnej; Politechnika
Łódzka 1993
2. H. Szydłowski: Pracownia fizyczna; PWN, Warszawa 1975
3. T. Drapała: Podstawy chemii; Wydawnictwa Szkolne i pedagogiczne,
Warszawa 1991
4. J. Czerwiński, Z. Orlik, W. Żmigrodzka: Fizyka; Wydawnictwa Szkolne i
pedagogiczne, Warszawa 1988
5